Εργαστήριο Φωτοτεχνίας

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Φωτοτεχνίας Ενότητα: Μελέτη Χαρακτηριστικών των Λαμπτήρων Νατρίου (Na) Χαμηλής Πιέσεως Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

1. Σκοπός... 4 1.1 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη... 4 1.2 Αρχή Λειτουργίας... 4 1.2.1 Βασικά Μέρη Λαμπτήρα... 5 1.2.2 Σωλήνας Εκφορτίσεως... 5 1.2.3 Ηλεκτρόδια... 6 1.2.4 Εξωτερικός Κώδωνας... 7 1.2.5 Αέριο Πληρώσεως... 7 1.2.6 Κάλυκας Βάσεως... 7 1.2.7 Ισοζύγιο Ενέργειας... 7 1.2.8 Χρωματική Εφάνιση και Δείκτης Χρωματικής Απόδοσης... 8 1.2.9 Εξωτερικές Επιδράσεις... 8 1.2.10 Κυκλώματα Ballast... 9 1.2.11 Επαγωγικός περιοριστής ρεύματος... 9 1.3 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης... 12 1.4 Βιβλιογραφία:... 13 3

1. Σκοπός Σ αυτή την ενότητα μελετώνται οι λαμπτήρες νατρίου (Na). Στην θεωρητική ανάπτυξη που ακολουθεί αναφέρεται και εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των λαμπτήρων αυτών και μελετώνται τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Με την ολοκλήρωση της μελέτης της ενότητας αυτής ο σπουδαστής θα πρέπει να έχει κατανοήσει τον τρόπο λειτουργίας των παραπάνω λαμπτήρων και να γνωρίζει τις εφαρμογές τους. 1.1 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Η λειτουργία του λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως παρουσιάζει πολλές ομοιότητες με τους λαμπτήρες Hg χαμηλής πιέσεως (λαμπτήρες φθορισμού). Η βασική τους διαφορά εντοπίζεται στο ότι στους λαμπτήρες φθορισμού το φως παράγεται από την μετατροπή της υπεριώδης ακτινοβολίας ενώ στους λαμπτήρες χαμηλής πιέσεως Na το φως παράγεται από την εκφόρτιση του Na. 1.2 Αρχή Λειτουργίας Ο σωλήνας εκφόρτισης σ αυτούς τους λαμπτήρες έχει σχήμα U (βλέπε Σχήμα 5-11) και βρίσκεται εντός σωληνωτού κώδωνα του οποίου η εσωτερική επιφάνεια είναι επιστρωμένη με οξείδιο του ινδίου. Το κενό μαζί με την επίστρωση λειτουργεί ως επιλεκτικός ανακλαστήρας υπέρυθρων συχνοτήτων έτσι ώστε να διατηρηθεί η κατάλληλη θερμοκρασία των 260 0C. Τα προηγούμενα είναι απαραίτητα για την εξάτμιση του Na με ελάχιστες απώλειες θερμότητας. Στο εσωτερικό του σωλήνα εκφορτίσεως υπάρχει αέριο νέον το οποίο χρησιμοποιείται για την εκκίνηση της εκφόρτισης και για την παραγωγή θερμότητας για την εξάτμιση του νατρίου. Σ αυτή την πρώτη φάση λειτουργίας οφείλεται το κόκκινο-πορτοκαλί χρώμα που εμφανίζει ο λαμπτήρας. Στην συνέχεια το νάτριο σταδιακά εξατμίζεται και παράγει το χαρακτηριστικό μονοχρωματικό φως με φασματικές γραμμές στα 589nm και 589,6nm. Το αρχικώς παραγόμενο κόκκινο χρώμα (λόγω της εκφόρτισης του νέου) περιορίζεται λόγω των δυναμικών διέγερσης και ιονισμού του νατρίου που είναι πολύ μικρότερα από τα αντίστοιχα για το νέον. Η μέγιστη φωτεινή ακτινοβολία επιτυγχάνεται μετά από δέκα λεπτά λειτουργίας. Ο λαμπτήρας Na χαμηλής πιέσεως παρουσιάζει φωτεινή απόδοση μέχρι και 200lm/W και μεγάλη διάρκεια ζωής. Οι κύριες εφαρμογές του λαμπτήρα αφορούν φωτισμό δρόμων, λιμανιών και αμαξοστασίων. Οι λαμπτήρες αυτοί είναι διαθέσιμοι σε ισχύς από 18 W έως 180W. 4

1.2.1 Βασικά Μέρη Λαμπτήρα Σχήμα 1-1: Κατασκευή λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως (πηγή Philips) Τα βασικά μέρη ενός λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως φαίνονται στο Σχήμα 1-1 και είναι: Ο σωλήνας εκφορτίσεως, Τα ηλεκτρόδια, Ο εξωτερικός κώδωνας, Η επίστρωση του κώδωνα, Το αέριο πληρώσεως και Ο κάλυκας βάσεως 1.2.2 Σωλήνας Εκφορτίσεως Ο σωλήνας εκφορτίσεως έχει σχήμα U με σκοπό την οικονομία χώρου και την καλύτερη θερμική μόνωση. Το υλικό κατασκευής είναι συνηθισμένο γυαλί (soda-lime, μίγμα υδροξειδίων του άνθρακα και του νατρίου) επιστρωμένο με γυαλί βορικού άλατος το οποίο σχηματίζει προστατευτικό στρώμα ενάντια στους ατμούς νατρίου. 5

Ο σωλήνας περιέχει μικρούς θύλακες ή οπές όπου το νάτριο επικάθεται κατά την διάρκεια της παραγωγής. Η θερμοκρασία αυτών των περιοχών είναι χαμηλότερη από την επιφάνεια των τοιχωμάτων του σωλήνα και έτσι εκεί συμπυκνώνεται το νάτριο όταν ο λαμπτήρας κρυώσει με το τέλος της χρήσης του. Σε περίπτωση που δεν υπάρχουν αυτές οι οπές το νάτριο θα συμπυκνωνόταν με τέτοιο τρόπο ώστε θα δημιουργούσε καθρέφτες οι οποίοι θα ανέκοπταν το φως και θα μείωναν την φωτεινή απόδοση του λαμπτήρα. Ο σωλήνας συγκρατείται με την βοήθεια κατάλληλων ελατηρίων και «μπράτσων» (στηριγμάτων) τα οποία λειτουργούν και ως αμορτισέρ. 1.2.3 Ηλεκτρόδια Σχήμα 1-2: Τριπλά περιελιγμένα ηλεκτρόδια βολφραμίου λαμπτήρων Na χαμηλής πιέσεως (πηγή Philips) Τα ηλεκτρόδια στους λαμπτήρες Na χαμηλής πιέσεως είναι κατασκευασμένα από τριπλά περιελιγμένο σύρμα βολφραμίου (βλέπε Σχήμα 1-2). Τα ηλεκτρόδια είναι επικαλυμμένα με υλικό κατάλληλο για εκπομπή ηλεκτρονίων. Το υλικό αυτό είναι μίγμα οξειδίων του βαρίου, στροντίου και ασβεστίου. 6

1.2.4 Εξωτερικός Κώδωνας Ο εξωτερικός κώδωνας θα πρέπει να προσφέρει πολύ καλή θερμική μόνωση έτσι ώστε η θερμοκρασία τοιχωμάτων του σωλήνα εκφορτίσεως να παραμένει στους 260 0 C, με σκοπό την επίτευξη της βέλτιστης πίεση για τους ατμούς του Na. Για τους παραπάνω λόγους αφαιρείται ο αέρας του εξωτερικού κώδωνα και επιστρώνεται η εσωτερική του επιφάνεια με λεπτό στρώμα υλικού με έντονα ανακλαστικές ιδιότητες στην υπέρυθρη περιοχή του φάσματος. Αυτός ο υπέρυθρος ανακλαστήρας εξυπηρετεί στο να αντανακλά την περισσότερη θερμική ακτινοβολία πίσω στο σωλήνα εκφορτίσεως. 1.2.5 Αέριο Πληρώσεως Ο σωλήνας εκφορτίσεως πληρώνεται με μίγμα αργού και νέου όπως επίσης με νάτριο υψηλής καθαρότητας. Τα αδρανή αυτά αέρια είναι απαραίτητα για την έναυση του λαμπτήρα. 1.2.6 Κάλυκας Βάσεως Όλοι οι single-ended λαμπτήρες νατρίου χαμηλής πιέσεως είναι εφοδιασμένη με κάλυκα bayonet ΒY22 έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η ακριβής τοποθέτηση του λαμπτήρα στο φωτιστικό αφού η κατανομή φωτός δεν είναι συμμετρική σε επίπεδο κάθετο στο άξονα της λάμπας (βλέπε Σχήμα 1-3). Σχήμα 1-3: Κατανομή φωτεινής έντασης λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως σε επίπεδο κάθετο στο άξονα το (πηγή Philips). 1.2.7 Ισοζύγιο Ενέργειας Το ισοζύγιο ενέργειας λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως 180W παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-4. 7

Σχήμα 1-4: Ενεργειακό ισοζύγιο λαμπτήρα Na χαμηλής πίεσης 180W (πηγή Philips) 1. Ισχύς στον σωλήνα εκφόρτισης 158W 2. Θερμικές απώλειες στα ηλεκτρόδια-22w 3. Ορατή ακτινοβολία-63w 4. IR ακτινοβολία-5w 5. Θερμικές απώλειες του σωλήνα εκφόρτισης-90w 6. Συνολική IR ακτινοβολία-62w 7. Απώλειες αγωγής και μεταφοράς 1.2.8 Χρωματική Εφάνιση και Δείκτης Χρωματικής Απόδοσης Αρχικά, ο λαμπτήρας Na χαμηλής πιέσεως παρουσιάζει ένα κόκκινο χρώμα. Καθώς ο λαμπτήρας ζεσταίνεται το χρώμα του σταδιακά γίνεται κίτρινο. Εφόσον ο λαμπτήρας αυτός εκπέμπει μονοχρωματικό φως, ο δείκτης χρωματικής απόδοσης είναι ανύπαρκτος. Πλεονέκτημα της σχεδόν μονοχρωματικής ακτινοβολίας είναι ότι δεν προκαλεί χρωματική απόκλιση και οπτική οξύτητα. 1.2.9 Εξωτερικές Επιδράσεις Η θερμοκρασία περιβάλλοντος επηρεάζει ελάχιστα την λειτουργία του λαμπτήρα λόγω της άριστης μόνωσης που προφέρει ο εξωτερικός κώδωνας. Η ελάχιστη θερμοκρασία που ο λαμπτήρας μπορεί να λειτουργήσει σε συνδυασμό με ηλεκτρονικό εκκινητή είναι -30 0 C. Επίσης, η επίδραση των διακυμάνσεων της τάσης τροφοδοσίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-5. 8

Σχήμα 1-5: Η επίδραση των διακυμάνσεων της τάσης τροφοδοσίας στου λαμπτήρας Na χαμηλής πιέσεως.(πηγή Philips) V : Τάση τροφοδοσίας V la : Τάση λαμπτήρα I la : Ένταση ρεύματος λαμπτήρα P la : Ισχύς λαμπτήρα Τέλος, οι επιτρεπτές θέσεις λειτουργίας του λαμπτήρα καθορίζονται από την ανάγκη περιορισμού της κίνησης του υγρού νατρίου. Το προηγούμενο είναι λιγότερο κρίσιμο για λαμπτήρες χαμηλής ισχύος συγκριτικά με τους αντίστοιχους υψηλής ισχύος για τον λόγο ότι οι πρώτοι περιέχουν λιγότερο νάτριο. 1.2.10 Κυκλώματα Ballast Οι λαμπτήρες Na όπως και οι λαμπτήρες Hg υψηλής πίεσης εμφανίζουν αρνητική αντίσταση και το περιορισμό του ρεύματος που τους διαρρέει αναλαμβάνουν κατάλληλα κυκλώματα περιορισμού ρεύματος (ballast). Τέτοια κυκλώματα ballasts είναι: το επαγωγικό ballast, και το ballast αυτομετασχηματιστή σταθερής ισχύος. 1.2.11 Επαγωγικός περιοριστής ρεύματος Αυτού του είδους το ballast είναι στην ουσία ένα πηνίο (choke) σε σειρά με τον λαμπτήρα και παράλληλα συνδεδεμένο κύκλωμα εκκινητή (ηλεκτρονικού τύπου) (Σχήμα 1-6α). Σε υψηλής ισχύος εγκαταστάσεις προβλέπεται διόρθωση του συντελεστή ισχύος. 9

α) β) Σχήμα 1-6: Βασικός επαγωγικό ballast με α) εκκινητή και β ) χωρίς εκκινητή για μικρής ισχύος λαμπτήρας (πηγή Philips) Στο Σχήμα 1-6β παρουσιάζεται κύκλωμα λειτουργίας λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως μικρής ισχύος όπου δεν απαιτείται κύκλωμα εκκινητή. Ο πυκνωτής του κυκλώματος δημιουργεί κύκλωμα συντονισμού για την παραγωγή της απαραίτητης τάσης για την λειτουργία του λαμπτήρα. Μετά την εκκίνηση του λαμπτήρα ο πυκνωτής χρησιμοποιείται για την διόρθωση του συντελεστή ισχύος. Σχήμα 1-7: Ημισυντονιζόμενο κύκλωμα ballast για λαμπτήρες Na χαμηλής πιέσεως (πηγή Philips) Στο Σχήμα 1-7 παρουσιάζεται κύκλωμα ballast για λαμπτήρες Na που απαιτούν υψηλότερη τάση τροφοδοσίας από τα 230 V για αξιόπιστη λειτουργία. Το προηγούμενο επιτυγχάνεται με την προσθήκη ενός δεύτερου πηνίου και ενός πυκνωτή τα οποία σχηματίζουν κύκλωμα συντονισμού. 10

1.2.11.1 Ballast Αυτομετασχηματιστή Σταθερής Ισχύος Το ballast αυτομετασχηματιστή σταθερής ισχύος διατηρεί την ισχύ του λαμπτήρα σχεδόν σταθερή. Αυτό το κύκλωμα περιλαμβάνει πηνίο και πυκνωτή σε σειρά για διόρθωση του συντελεστή ισχύος και ηλεκτρονικό εκκινητή. Σχήμα 1-8: Κύκλωμα ballast αυτομετασχηματιστή σταθερής ισχύος με εκκινητή για λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως. (πηγή Philips) 11

1.3 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης 1. Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για τον λαμπτήρα νατρίου χαμηλής πίεσης SOΧ 35W. Τάση τροφοδοσίας λαμπτήρα 230V. t (min:sec ) I Lam p V Lam p E Lux (klux ) P Lam p t (min:sec ) (A) (V) (W) 00:15 04:45 00:30 05:00 00:45 05:15 01:00 05:30 01:15 05:45 01:30 06:00 01:45 06:15 02:00 06:30 02:15 06:45 02:30 07:00 02:45 07:15 03:00 07:30 03:15 07:45 03:30 08:00 03:45 09:15 04:00 09:30 04:15 09:45 04:30 10:00 I Lam p (A) V Lam p (V) E Lux (klux ) P Lam p (W) α) Να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος του λαμπτήρα (I Lamp ), της τάσης του λαμπτήρα (V Lamp ), της φωτεινής ροής του λαμπτήρα (ανάλογη της E Lux ) και της ισχύος του λαμπτήρα (P Lamp ), συναρτήσει του χρόνου για ονομαστική τάση τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας τις τιμές του προηγούμενου πίνακα. β) Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρούμενων μεγεθών καθώς και οι γραφικές παραστάσεις τους. 2. Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για τον λαμπτήρα νατρίου χαμηλής πίεσης SOΧ 35W. V in (V) 215 220 225 230 235 240 245 250 I Lamp (A) V Lamp (V) E Lux (klux) P Lamp (W) S Lamp (Υπολογιστικά) PF Lamp (Υπολογιστικά) 12

α) Να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος του λαμπτήρα (I Lamp ), της τάσης του λαμπτήρα (V Lamp ), της φωτεινής ροής του λαμπτήρα (ανάλογη της E Lux ) και της ισχύος του λαμπτήρα (P Lamp ), συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας με βάση τον προηγούμενο πίνακα. β) Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρημένων μεγεθών καθώς και οι γραφικές παραστάσεις τους. γ) Να εξηγηθεί η μεταβολή του χρώματος του παραγόμενου φωτός του λαμπτήρα που παρατηρείται από την έναρξη της λειτουργίας του μέχρι την σταθεροποίηση του. 1.4 Βιβλιογραφία: 1. Α. Τσακίρης, Φωτοτεχνία, Αθήνα 2004 2. Φ.Ι. Δημόπουλος, Φωτοτεχνία, Ηλεκτρικές συσκευές, εκδόσεις Φ.Δημόπουλου 3. Philips, LIGHTING MANUAL, 5η Έκδοση 1993 4. J. Krochmann, ON THE MEASUREMENT OF LUMINOUS FLUX WITH AN INTEGRATING SPHERE PHOTOMETER, June 1984 5. Φ. Τοπάλη, Φωτοτεχνία, εκδόσεις ΕΜΠ 6. Π. Νικολόπουλου, Φωτοτεχνία, εκδόσεις ΕΜΠ, 1985 7. Ι. Οικονομόπουλος, Θεωρητική και εφαρμοσμένη φωτοτεχνία, Εκδόσεις Philips 8. J. Favie, C. Damen, G. Hietbrink, N. Quaedfield, Lighting 9. C.I.E., Guide and calculations for interior lighting 10. www.oscram.gr 13